第3章水环境化学2 1

?非 粘 土 矿 物 ： 天 然 水 中 常 见 为 石 英 (SiO2) 、 长 石 (KalSi3O8)等，晶体交错，结实、颗粒粗，不易碎裂，缺 乏粘结性（例如沙子主要成分为：SiO2）。
?粘土矿物：天然水中常见为云母、蒙脱石、高 岭石，层状结构，易于碎裂，颗粒较细，具有粘 结性，可以生成稳定的聚集体。
=2.264×104（cm2/g）
其次计算总体积=100m2×0.2m×10%=2m3=2×106cm3 所以总重量=总体积×比重=2×106cm3×2.65g/cm3=5.3×106g 所以总比表面积=5.3×106g×2.264×104（cm2/g）=12×1010cm3=12万m3
（4）水体悬浮沉积物： ?天然水体中各种环境胶体物质相互作用结合成聚集体， 即为水中悬浮沉积物，它们可以沉降进入水体底部，也可 重新再悬浮进入水中。 ?一般悬浮沉积物是以矿物微粒，特别是粘土矿物为核心 骨架，有机物和金属水合氧化物结合在矿物微粒表面上， 成为各微粒间的粘附架桥物质，把若干微粒组合成絮状聚 集体（聚集体在水体中的悬浮颗粒粒度一般在数十微米以 下），经絮凝成为较粗颗粒而沉积到水体底部。
?所有的金属水合氧化物都能结合水中微量物质，同时其本身 又趋向于结合在矿物微粒和有机物的界面上。
（3）腐殖质：最早由土壤学研究者所发现，主要就是腐殖酸， 例如富里酸、胡敏酸等。
?属于芳香族化合物，有机弱酸性，分子量从 700-20 0000不 等；
?带负电的高分子弱电解质，其形态构型与官能团（羧基、 羰基、羟基）的离解程度有关。
（5）其他：湖泊中的藻类，污水中的细菌、病毒、废 水排出的表面活性剂、油滴等，也都有类似的胶体化学 表现，起类似的作用。
2、水环境中颗粒物的吸附作用
主要有表面吸附、离子交换吸附、专属吸附三种类型。 （1）表面吸附：是一种物理吸附，其吸附过程不发生化学 变化，发生的关键是胶体颗粒具有巨大的比表面积，因此 胶体具有巨大的表面能。
得到具有重要胶体作用的：
针铁矿：Fe2O3﹒H2O
水解 [Al(OH) 3]∞聚合无机高分子
水铝石：Al2O3﹒H2O
[FeOOH] ∞聚合无机高分子
三水铝石：Al2O3﹒3H2O
[MnOOH] ∞聚合无机高分子
二氧化硅凝胶：SiO2﹒nH2O [Si(OH) 4]∞聚合无机高分子
水锰矿：Mn2O3﹒H2O
?最终以一种或多种形式长期存留在环境中，造成永久性的 潜在危害。
?重点介绍重金属污染物在水环境中迁移转化的基本原理。
一、颗粒物与水之间的迁移
1、水中颗粒物的类别
天然水中颗粒物主要包括五大类：矿物、金属水合氧 化物、腐殖质、悬浮物、其他泡沫、表面活性剂等半胶体 以及藻类、细菌、病毒等生物胶体。
（1）非粘土矿物和粘土矿物： 都是原生岩石在风化过程 中形成的。
OH OH
OH Al
OH
O
பைடு நூலகம்
（2）金属水合氧化物：铝、铁、锰、硅等金属的水合氧化物 在天然水中以无机高分子及溶胶等形态存在，在水环境中发 挥重要的胶体化学作用。
?天然水中几种重要的容易形成金属水合氧化物的金属：
?铝在岩石和土壤中是大量元素，在天然水中浓度低，不超 过0.1mg/L。铝水解，主要形态 AL3+、Al(OH)2+、Al2(OH)24+、 Al(OH)2+ 、 Al(OH)3 和Al(OH)4 － ，随 pH 值变化而改变形态浓度 比例。一定条件下会发生聚合，生成多核配合物或无机高分 子，最终生成[Al(OH) 3]n的无定形沉淀物。
? 锰与铁类似，其丰度虽然不如铁，溶解度比铁高，也 是常见的水合金属氧化物。
? 硅酸的单体 H4SiO4，若写成 Si(OH)4，则类似于多价金 属，是一种弱酸，过量的硅酸将会生成聚合物，并可生 成胶体以至沉淀物。
?重要的水合氧化物主要有：
褐铁矿：Fe2O3﹒nH2O
水化赤铁矿：2Fe2O3﹒H2O
?在pH较高的碱性溶液中或离子强度低的条件下，溶液中的 OH-将腐殖质理解出的 H+中和掉，因而分子间的负电性增强， 排斥力增加，亲水性强，趋于溶解。
?在pH较低的酸性溶液（H+多，正电荷多），或有较高浓度的 金属阳离子存在时，各官能团难于离解而电荷减少，高分子 趋于卷缩成团，亲水性弱，因而趋于沉淀或凝聚。
? 铁是广泛分布元素，水解反应和形态与铝类似。在不 同 pH 值 下 ， Fe(Ⅲ) 的 存 在 形 态 是 Fe3+ 、 Fe(OH)2+ 、 Fe(OH)2+ 、 Fe2(OH)24+ 和 Fe(OH)3 。固体沉淀物可转化为 FeOOH的不同晶形物。同样，它也可以聚合成为无机高分 子和溶胶。
第二节、水中无机污染物的迁移转化
一、颗粒物与水之间的迁移 二、水中胶体颗粒物聚集的基本原理和方式
三、溶解和沉淀 四、氧化—还原 五、配合作用
?无机污染物，特别是重金属和准金属等污染物，一旦进入 水环境，不能被生物降解;
?主要通过 吸附—解吸、沉淀 —溶解、氧化 —还原、配合作 用、胶体形成等一系列物理化学作用进行迁移转化，参与和 干扰各种环境化学过程和物质循环过程；
? 单位比表面积(ρ为密度)=面积（球）/重量=
4? r 2 4?r3?
3
=
3
?r
（cm2/g）
? 表面能（又称为表面吸附能）：任何分子之间均存在引力，在物体内部，
某分子受到各方面作用力相等，因而处于平衡状态，但是在胶体表面上，分
子受力不均匀（因为表面分子周围的分子数量不相等），因而产生了所谓的
表面能。
? 计算实例：某湖泊底泥ρ=2.65g/cm3，10%为直径D=1um（10-4cm）的颗
粒物，求面积S=100m2，深度h=0.2m的底泥中，所有直径D=1um（10-4cm）的
颗粒物比表面积？
解：先计算单位比表面积(ρ为密度)
=面积（球）/重量=
4? r 2 4 ?r3?
3
3 = 0.5 ? 10?4 ? 2.65
?其中的粘土矿物是天然水中最重要、最复杂的 无机胶体，是天然水中具有显著胶体化学特性的 微粒。主要成分为铝或镁的硅酸盐，具有片状晶 体结构；
?粘土矿物的层状晶体基本由两种原子层构成，一种是硅氧四 面体（硅氧片），另一种是铝氢氧原子层（水铝片），其间主 要靠氢键连接，因此易于断裂开来。
O
Si
O
O
O
O